当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明，在80%以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了其动力潜能的4O%，在市区只有25%，更为严重的是排放大量废气污染环境。2O世纪90年代以来，节能和环保成为汽车研究的主题，各种电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们的要求，专家估计在1O年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车(除非燃料电池技术有重大突破)。现实迫使汽车设计者们寻求两全其美的办法，研究、开发混合动力汽车(Hybrid—Electric Vehicle，HEV)。

 

　　国际电工委员会(IEC)电动汽车技术委员会将混合动力汽车定义为有一种以上能量转换器提供驱动动力的混合型电动汽车。也可简单定义为将电力驱动和辅助动力单元(Auxiliary Power Unit，APU)合用到一辆车上。本文从原理、性能等方面对混合动力汽车进行概述。

 

　　1． 基本工作原理

 

　　混合动力汽车采用适当的燃料转换装置(如内燃机)、储能装置和电动机作为混合动力源，在严密的控制策略控制下，使燃料转换装置、储能装置和电机在驱动工况下尽可能工作在高效率、低排放区域，在汽车制动工况下，通过发电机或电机工作象限的调整回收部分制动能量，从而大大改善汽车变工况行驶时的燃油经济性能、尾气排放性能及其他使用性能。

 

　　混合动力汽车在起动和低速行驶时，可由电池提供动力；超过一定速度后，转由内燃机驱动；加速和高速行驶时，可由内燃机和电动机联合驱动；正常行驶或减速刹车时，可对电池充电，故在正常情况下，混合动力汽车不需要通过外部电源充电或只需较短的外部充电时间。混合动力汽车的内燃机还可采用压缩天然气、甲醇、液化石油气等代用燃料，不仅能降低车辆对石油的依赖，而且能有效减少尾气中的有害物质。

 

　　2 ．性 能

 

　　2．1 极佳的燃油经济性能

 

　　制定混合动力汽车控制策略的主要原则之一就是保证在不同的行驶工况下，燃料转换装置、储能装置和电动机尽可能多地工作在高效率区域。这一原则使混合动力汽车具有极佳的燃油经济性能。图l是德国大众高尔夫(Golf)轿车采用混合驱动系统和传统内燃机驱动系统的燃油经济性比较。结果表明，前者的燃油消耗比后者降低56.7%。理论分析和现有混合动力汽车的运行结果证明，混合动力汽车与传统内燃机汽车相比，其燃油消耗可降低3O%～4O%。

 

　

　图1 混台动力汽车和传统汽车燃油经济性对比

 

　　2．2 低排放

　　制定混合动力汽车控制策略的主要原则之二就是保证汽车在不同的行驶工况下，燃料转换装置(如发动机)尽可能工作在低排放区域，从而保证混合动力汽车具有很好的排放性能。以NO_x 排放为例，美国新一代机动车伙伴关系计划(PNGV)2000年混合动力概念轿车、日本本田公司的Insight和丰田公司的Prius混合动力轿车已分别达到美国环保署(EPA)Tier2、美国加利佛尼亚州(下称加州)ULEV、加州SULEV 规定的N0_x排放标准(见图2)。而目前排放性能较佳的传统内燃机汽车仅能达到欧洲Ⅲ号标准。理论研究以及丰田Prius、本田Insight等混合动力轿车的运行结果证明，与传统内燃机汽车相比，混合动力汽车能降低尾气排放量5O%～6O%。除此之外，还通过降低发动机负荷达到了降低噪声的目的。

 

图2 N0_x排放标准比较 

 

　　3 ．类 型

 

　　基于任务，可以将混合动力汽车分成三类：轻度混合型(Mild Hybrid Vehicle，MHV)、功率混合型(Power Hybrid Vehicle，PHV)和能量混合型(En—gery Hybrid Vehicle，EHV)。

 

　　3．1 轻度混合型(MHV)

 

　　轻度混合方式混合动力汽车选用较小功率的驱动电机，主要依靠内燃机运行，电动机辅助动力的范围有限，因此，所需电池的能量也较低。在所有混合动力汽车中，轻度混合方式最廉价，增加的成本最少，当然也只能适当地提高燃油经济性和改善排放。本田Insight混合动力汽车属于轻度混合型，图3为其动力系统图。它包括一台作为主动力源的1．0 L稀薄燃烧汽油机(空燃比为26：1)和作为辅助动力的1O kW 一体化起动机／发电机(IntegratedStarter Alternator，ISA)。ISA采用抗热性强的永磁体、薄型线圈，风冷，超薄型电机的厚度仅为6Omm。ISA直接安装在内燃机曲轴输出端，取代内燃机的飞轮，与内燃机合成，成为Insight最具特色的集成电动机助力系统(Integrated Motor Assist，IMA)。ISA能实现怠速自动停机和自动起动功能，在加速时提供辅助动力，或者以发电机状态运行，将减速或制动时的动能转换成电能。Insight采用144V 镍氢电池组(Nickel Metal Hydride Battery，NiMH)供电系统，为ISA提供电能(20个封装，每个封装包括6个镍氢电池，每个电池的输出电压为1．2 V)。

 

　

　图3 本田Insight动力系统

 

　　3．2 功率混合型(PHV)

 

　　功率混合方式所采用驱动电机的功率比轻度混合方式大，虽然电池的能量仍然较低，但电池组提供的电功率却高20～40 kW，制造成本要比轻度混合方式高。与轻度混合方式相比，功率混合方式在改善燃油经济性和排放方面的潜力更大。丰田Prius是世界上第一个进行批量生产的混合动力汽车品牌，它采用的混合动力系统(Toyota Hybrid System，THS，见图4)属于功率混合型。它由一台43 kW 的汽油机和一台33 kW 的永磁电机组成，驱动电机由288 V镍氢电池供电。汽油机和驱动电机通过动力分配机构和减速齿轮形成两路能量通道，一路是内燃机通过动力分配机构驱动车轮的机械动力通道，另一路是动力分配机构发电机和电动机驱动车轮的电力通道。Prius的动力性达到了同类汽油机的水平，而百公里燃油油耗只是同类汽车的一半，尾气排放平均只有日本运输省规定值的1／1O左右。

 

　

　图4 丰田Prius动力系统

 

　　第二代Prius在原有THS系统中增加了一个与后桥差速齿轮融为一体的后轮驱动电机，可以形成四轮驱动并可同时回收4个车轮的制动能量，这种新型混合动力系统被命名为E—FOUR，图5为其动力系统简图。采用E—FOUR的混合动力汽车的尾气排放只有日本现行规定数值的1／12，提前达到了日本环境厅规定的“超低排放标准(J—ULEV) ”。

 

　　

图5 丰田E-FOUR混合动力系统

 

　　3．3 能量混合型(EHV)

 

　　能量混合型的混合程度是三种混合方式中最高的，不仅要求车载电池有较大的功率，而且要有较高的能量，而轻度混合型和功率混合型中电池的能量都较低。能量混合型中的驱动电机是主要原动力，因此，需要车载电池提供足够的电能(最高至7Okw)独立驱动汽车行驶大约43．5 km(据统计，美国私人轿车每天平均行驶21．7 km，达到或者超过43．5 km的概率为1O％)。内燃机主要在高速公路上行驶时驱动汽车运行(内燃机处于高效率区)，增加续驶里程。与轻度混合型和功率混合型相比，能量混合型可明显改善燃油消耗及尾气排放，但能量混合型的制造成本高很多，这主要是由于高能量电池组的成本较高。由于大功率电机以及高能量电池组在轿车上的布置都十分困难，这类方式更适合于大中型客车。

 

　　图6为丰田Coaster混合动力汽车动力传动示意图，它使用的是中型客车底盘，驱动电机为7O kW交流感应电机，以总重500 kg的铅酸电池组为能量混合型混合动力系统。

 

　　

图6 丰田Coaster混合动力系统示意图

 

 

 

　　4． 研究开发概况及发展趋势

 

　　2O世纪7O年代，国外就开始进行混合动力汽车的研究与开发，但由于混合动力汽车结构复杂、技术含量高，实现较为困难，故直到9O年代，各国才相继推出混合动力概念车或样车，并有小批量混合动力轿车产品上市。我国混合动力轿车的研究、开发起步较晚，2001年才将混合动力轿车的研究、开发列为“十五”期间863计划电动汽车重大专项的一个子项加以研究。

 

　　4．1 国外混合动力轿车研究开发概况

 

　　国外混合动力轿车的研究、开发项目主要集中在美国和日本。美国较大的混合动力轿车研究开发项目有PNGV计划和自由汽车合作研究计划(简称FreedomCAR计划)。PNGV计划始于1993年12月，2002年1月终止，美国各大汽车公司都有各自的混合动力概念轿车问世，但由于成本问题都未大批量生产。FreedomCAR计划是响应布什政府2001年5月签署的国家能源计划而提出的，旨在加强车用可更新、高效能源(如氢气)、车用燃料电池和燃料电池汽车的研究，降低汽车能量消耗，从而降低美国对国外石油的依赖程度。参与该计划的有美国联邦政府相关部门和USCAR的主要成员(戴姆勒一克莱斯勒、通用和福特等汽车公司)。Freedom—CAR计划采用与PNGV计划相同的合作研究形式，即多方共同出资、共同享有研究成果。

 

　　日本混合动力轿车的研究、开发早在2O世纪9O年代初期就已进行。与美国不同的是，日本众多的混合动力轿车研究、开发项目几乎完全由汽车公司自行承担，而且多为单车项目直接面向市场。因此，日本各大汽车公司目前拥有全球几乎全部的混合动力轿车市场份额。

 

　　国外混合动力轿车研究、开发充分证明了混合动力轿车低油耗和低排放的优点，同时也表明混合动力轿车具有较好的技术可行性。

 

　　4．2 国内混合动力轿车研究开发概况

 

　　目前，我国混合动力汽车的研制已取得了一定进展。东风混合动力城市公交车和轿车已完成样车开发，工业化生产平台搭建、销售服务网络建设等产业化准备工作也已全面展开。前者已按期完成国家认证，实现产业化；后者也将在东风现有知识产权的产品平台上实现产业化。

 

　　第一汽车集团除与丰田合资生产丰田普锐斯外，在2005年4月上海国际车展上还展出了自主研究开发的红旗混合动力轿车，同时由其自主研究开发、具有世界水平的解放牌混合动力城市客车性能样车也通过了国家863计划电动车重大专项专家组的项目验收。

 

　　科技部以奇瑞汽车公司为依托，建立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，主要从事混合动力方面的研究。同时，奇瑞正与英国纽卡斯尔大学进行混合动力项目合作，奇瑞开发的混合动力汽车已在2006年北京车展上亮相。另外，上海汽车公司、长安汽车集团、吉利汽车集团等汽车生产企业都已展开混合动力汽车的研究、开发、生产工作。

 

　　4．3 混合动力轿车技术发展趋势

 

　　纵观国外混合动力轿车技术的发展现状，总的来说呈现以下发展趋势：

 

　　(1)目前，大部分混合动力轿车项目样车开发和试制已经结束，其实用化面临的重大障碍还是成本相对较高。因此，尽可能采用成熟技术、降低整车成本，成为混合动力轿车技术发展的一大趋势。

 

　　(2)由于混合动力轿车技术自身的特点，混合动力轿车专用零部件的开发和批量生产也将成为混合动力轿车技术发展的另一大趋势。

 

　　(3)研究开发应用于混合动力轿车的先进技术，如燃料电池技术、轻质车身技术、柴油发动机技术以及先进的热机、电机驱动系统，也是各国汽车生产商全力解决的重要技术问题。

 

　　(4)混合动力汽车具有很高的市场可行性，但要想快速实现其产业化和商业化，还需要政府创造良好的研究、开发、生产及推广环境。